本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
有时科学就是揭示隐藏的模式。当德国阿尔弗雷德·韦格纳研究所的丹尼尔·齐特巴特几年前在南极洲研究地震学时，他注意到当地帝企鹅的一些奇怪之处：雄性企鹅倾向于非常密集地聚集在一起，通常一次聚集数千只。这让他想起了细胞动力学——以至于他决定拍摄成堆企鹅的录像，并研究延时录像。他的最新发现可以在今天发表在《新物理学期刊》上的一篇论文中找到。
企鹅成堆是有充分理由的。南极洲非常寒冷——气温会骤降至零下 50 摄氏度，并伴有高达每小时 200 公里的狂风——这些生物只是想保持温暖，尤其是在繁殖季节。（雄性企鹅在冬季负责孵化蛋）。企鹅堆越密集，它们就会越温暖——至少对于那些有幸将自己置于企鹅堆深处而不是在边缘瑟瑟发抖的企鹅来说是这样。
几年前，齐特巴特发表了他的初步研究结果：企鹅并非完全静止不动，它们实际上每分钟左右移动一次，当它们移动时，周围所有的企鹅都会随之移动——再说一遍，因为天气寒冷，而且它们在追逐温暖。这种运动基本上构成了一种行波，在企鹅堆中传播——但齐特巴特想了解更多关于这种行波如何传播以及最初是什么触发它们的具体细节。
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这时，纽伦堡-埃尔兰根大学的理查德·格鲁姆建议他们研究为交通流设计的数学模型。科学家们通常用相变来描述交通流，例如水如何从自由流动的气体转变为粘度稍高（但仍能流动）的液体，再到冻结成冰冷的固体。高速公路上的汽车就像 H20 中的分子：汽车越多，它们就越密集，它们就越难以自由流动，交通拥堵（固相）就越有可能形成。
但正如我在 2011 年的一篇博客文章中写道，对这种基本描述存在关键的细微差别。具体而言，1998 年，一位名叫鲍里斯·克纳的物理学家在多年来从德国高速公路交通数据中发现了一种潜藏的自组织模式。即
[克纳]开发了一种模型，该模型基本上将交通分为三个基本类别：自由流动、拥堵（固态）以及一种奇怪的中间状态，称为同步流，在这种状态下，密集堆积的“汽车分子”像行进乐队的成员一样齐步移动。当这种情况发生时——当所有汽车由于道路上的车辆密度而以接近相同的平均速度行驶时——它们会变得高度依赖彼此。物理学家可能会将这种关系比作金属中电子的相关运动，这会产生诸如超导性之类的奇怪现象。高度相关的交通意味着微小的扰动——单个驾驶员意外刹车——将通过他/她身后的整个车队发送相应的减速波纹。
这些微小的波纹效应与齐特巴特在他成堆的帝企鹅中观察到的行波非常相似；企鹅停停走走很像拥堵的交通在路上缓慢移动——但虽然这让驾驶员感到恼火，但对于企鹅来说，这种走走停停的运动是一件好事，因为这是它们保持企鹅堆并保持温暖的方式。如果这些波在时间上足够接近地被触发，它们也会合并并形成更大的企鹅堆。看看这个
齐特巴特和格鲁姆修改后的模型再现了企鹅堆中每只企鹅的位置、运动和相互作用，并跟踪了企鹅堆随时间的运动。他们发现，任何一只企鹅只需要在任何方向上迈出大约 2 厘米，其紧邻的邻居就会做同样的事情，以尽可能靠近第一只企鹅。
而且，只要最初的 2 厘米间隙存在（“阈值距离”），任何企鹅都可以触发在任何方向上传播的行波。为什么是 2 厘米？嗯，根据齐特巴特的说法，这是企鹅羽毛绝缘层厚度的两倍。基本上存在一个“最佳点”，在这个点上，企鹅堆尽可能密集地堆积在一起，而又不会压碎它们天然的羽毛绝缘层。
他承认，他对任何企鹅都能触发波浪感到惊讶，因为他最初预计触发因素会来自潜伏在企鹅堆边缘并试图挤进去的企鹅。但仍然是一个谜的是，为什么任何一只企鹅最初会开始移动。“目前我们推测，企鹅可能会使用这种技术来旋转它们的蛋——它们无法用喙做到这一点，[所以]即使企鹅正好在企鹅堆里面，开始移动也是有道理的，”齐特巴特在电子邮件中告诉我。或者也许它们只是需要不时地转移体重；站在那里，在冰上瑟瑟发抖，周围挤满了数千只企鹅同胞，这不会太舒服。
“最终，我们希望创建一个公式来预测企鹅堆的状态，具体取决于一年中的时间、企鹅的数量以及天气有多冷，”齐特巴特告诉《新科学家》。这是因为对于企鹅来说，交通拥堵动态使它们能够在恶劣的条件下生存——并且随着气候变化模型预测各种灭绝情景，齐特巴特认为现在是研究这些生物的时候了。它们确实是独一无二的。“与宏观生物学中的大多数其他集体动力学系统（鸟群、鱼群、羊群）相比，企鹅在休息时保持高度有序的阶段，”他告诉我。“大多数其他系统依赖于运动系统来维持有序阶段。”
参考文献:
Bando M. 等人。(1995) “交通拥堵的动力学模型和数值模拟”，《物理评论 E》51(2): 1035-1042。
Gerum, R.C. 等人。(2013) “帝企鹅堆中行波的起源”，《新物理学期刊》15: 125022。
Gilbert, C. 等人。(2006) “帝企鹅的群聚行为：群聚动力学”，《生理学与行为》88: 479-488。
Helbing, D. (2001) “交通和相关的自驱动多粒子系统”，《现代物理评论》73。
Kerner, Boris S. (1998) “交通流中自组织的实验特征”，《物理评论快报》81: 3797-3400。
Waters, A.、Blanchette F. 和 Kim, A.D. (2012) “建模群聚企鹅”，《PLoS ONE》7: e50277。
Zitterbart, D.P. 等人。(2011) “协调运动防止帝企鹅堆中的拥堵”，《PLoS ONE》6: e20260。